脑机接口的医学使命

如果说未来，只需要在大脑植入一个芯片，借助其力量就能治愈所有疾病，成为“超级”人类，你觉得是否真实？

就好像古人追求“长生不老”那样，我们在追寻“大脑控制”的道路上付出了很多。也诞生了许许多多新技术，BCI 脑机接口技术应该是目前最有希望应用于临床的。

2020年9月，埃隆·马斯克（Elon Musk）和其“三只小猪”演示的“脑机接口”技术，轰动全球。

其实在2016年，马斯克就创立了脑机接口公司Neuralink（目的是研发超高带宽的脑机接口系统，为了创造更强大的人类来对抗未来的人工智能）。 

Neuralink 主要聚焦于脑机接口芯片和植入手术机器人等硬件，试图在人脑植入芯片和电极，来建立人机交互的宽带通道，并从大脑直接读取脑电信号。

然而真正的脑机交互离应用临床还有很长一段路要走。

BCI的历史，伴随着一群“疯狂”的科学家和他们的“执念”。

其实直到1934年，英国的电生理学家Edgar Douglas Adrian 和 Bryan Harold Cabot Matthews 证实了Berger的观察，而后1937年巴黎心理学会议上，脑电图EEG才正式被承认和接受。

EEG的发展成为了此后神经系统疾病，癫痫，脑肿瘤，脑外伤等的诊断和治疗的重要工具。

1969年，传感运动神经工程中心(CSNE)的研究员埃博·菲兹(Eb Fetz)，证实猴子可以通过放大他们的大脑信号控制表盘上指针的运动。

而当时个人电脑还未被发明出来。Eb Fetz是最早将机器与意识连接到一起的先驱人物之一。

此后匹兹堡大学Andy Schwartz实验室的脑机接口系统，通过植入猴子脑内的电极阵列实现解码，实现了猴子可以用意念操作机械臂给自己喂食。

可以看到，通过“脑机接口”脑电波能“跳过”肢体，通过意念来操控机械，进行一些列的操作甚至完成复杂动作。

目前脑机接口技术在临床上的应用，主要在利用神经假肢技术(neural prosthesis)来帮助因疾病或事故造成瘫痪失去运动能力的病人“恢复”一定的运动功能。

2014年，巴西世界杯开幕式，一名腰部以下瘫痪的少年通过由脑电波控制的机器外骨骼踢出世界杯的第一脚球。

除了肢体“替代”，所有脑能掌控的功能其实都可以用机器“替代”，包括视觉、听觉；甚至记忆、认知......。

因此，未来BCI技术还可以治疗老年痴呆、精神障碍、认知障碍、中风等疾病。

大脑可以说是人类最复杂的器官，但多年来脑疾病检测和治疗一直没有重大进展，很多脑相关的疾病至今无法攻克。核心问题在于不理解脑疾病的机理，不了解脑是如何工作的。

“神经网络之父”Geoffrey Hinton也是因为想弄清楚大脑如何工作的问题，从生理学开始，此后又学习心理学，最后他决定使用计算机科学的方法来模拟大脑，并进入人工智能领域。

Geoffrey Hinton：“我认为，如果你真的想了解一个非常复杂的装置，比如大脑，那你就制作一个。”

为了弄清楚人类大脑是如何工作的，科研人员开始“制造”大脑。

2015年8月，美国俄亥俄州立大学的研究团队在实验室培育出了一个“微型人脑”。这个名叫“类器官”(organoid)的微型人脑相当于一个5周大的胎脑的成熟程度，是由重新编程的皮肤细胞培育出来的。此后在一个模拟子宫环境的培育装置中生长了12周，大小相当于一个橡皮擦。诞生它的功能和真正的人脑十分相似，不仅拥有神经元、支持细胞和免疫细胞，还拥有胎脑99%的基因表达、脊髓和眼睛的雏形。

“微型人脑”可以帮助医生测试和研发新药，并更好地了解阿尔茨海默症等脑部疾病的发病机理。

或许实验室培养的大脑多少离人类真正基因有一段差距。2017年，伦敦大学神经学研究所的研究人员从一位健康人手臂上挖了一小块肉，将这块豌豆大小的肉逐渐发育成了他的第二颗大脑。

皮肤细胞将被转变成类似于干细胞的诱导性多功能干细胞（induced pluripotent stem cells，IPSCs），可以发育成任何类型的组织。在适当的诱导条件下，这种细胞能分化成神经元。跟胚胎中的神经元一样，这些人工培养的细胞会自行发育成类脑组织，并呈现出某些大脑神经元的特征，它们甚至还能模仿脑沟及脑回的形态。分化出的神经元会彼此传递信号。可能无法把这一过程叫作思考，但它确实构成了思考的基础。

因为缺乏血液供给，这个迷你大脑永远只有豌豆大小。

这个实验是为了研究神经退行性疾病，通过研究类器官，可以了解问题基因的致病原理，然后或许能找到治疗方法。

除了生物学领域，其他“仿制”人类大脑的脚步也从而停止。

2018年11月，世界上最大的神经元形态计算机（类脑计算机）-SpiNNaker，在英国曼彻斯特大学被激活。模拟人类大脑神经元仿制的这台超级计算机，能够模拟大脑神经元的放电，具有初步的“思考”能力。SpiNNaker大约集成了100万个处理器核心以及1200块连接电路板，每秒可执行200万亿次运算。

2020年，新的世界上最大类脑计算机在中国诞生。

9月1日，浙江大学联合之江实验室共同研制成功了我国首台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机（Darwin Mouse）。

Darwin Mouse类脑计算机包含792颗浙江大学研制的达尔文2代类脑芯片，支持1.2亿个脉冲神经元、近千亿神经突触，与小鼠大脑神经元数量规模相当，人脑含有近1000亿个神经元，1000万亿个神经突触。Darwin Mouse也成为了目前全球神经元规模最大的类脑计算机。

▲ 佩戴脑电图头盔与Darwin Mouse进行脑机交互

如何让类脑计算机更接近人类大脑？

目前，市面上的传感器输入的信号还是以数字为主，在应用到Darwin Mouse类脑计算机上需要加一个编码层，将信号转换为脉冲，在这个过程中，信息会丢失和损伤。如果能解决这个问题，类脑计算机就能变得更加智能。

▲ Darwin Mouse类脑计算机应用演示嗅觉识别

未来规模更大的神经元类脑计算机，包括类脑芯片，将在模拟脑功能（攻克脑疾病）、高效实现AI算法（将人工智能带入新阶段）等方面发挥重要作用。

除了“脑控制”，神经调控产业在全球医械领域已经应用比较广泛。并进入高速发展赛道。

神经调控的治疗是通过一系列的方法来调控神经系统，比如通过调节电刺激、视觉的或者化学的信号调控神经系统的相应靶区，改善环路上系统或者器官的功能。

应用从非侵入性技术，如经颅磁刺激，到植入设备来改变病灶区域的异常神经活动，发挥治疗作用。

目前已用于全身多个治疗领域，包括：癫痫、帕金森病、抑郁、阿尔茨海默病、特发性震颤、疼痛、泌尿系统疾病、心脏疾病、糖尿病、肥胖症等。

最常见的神经调控包括：脑深部电刺激（DeepBrainStimulation，DBS）、迷走神经电刺激术（VagusNerve Stimulation，VNS）、脊髓神经电刺激（Spinal Cord Stimulation，SCS）、骶神经电刺激（Sacral Nerve Stimulation，SNS）等。

作为一项新型医学治疗技术，神经调控成为近二十年来医学科学领域发展最为迅速的学科。伴随着技术突破，产业发展也非常迅速，预计到2024年，全球神经调控的市场将突破90亿美元。

其中，美敦力，波士顿科学，雅培（圣犹达）是产业头领头羊。

人类对于大脑的理解，还处于起步阶段。

但是当有一天真的实现了人机互联，并进入消费市场，或许又会产生新的问题。

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